【摘要】基于深基坑施工存在的环境效应问题，本文依托温州市域铁路S1线机场标段，通过对53个断面的现场实测及数据分析，研究了温州深厚软土地层城市轨道明挖深基坑的施工效应规律。结果表明:（1）坑外地表沉降呈明显“锅底”型，在第二道钢支撑施工完成后，地表沉降速率明显加快，影响范围约为3.5倍基坑深度。通过测点统计，地表最大沉降点位置分布于区间(H-3～H+15)m，H为基坑最大开挖深度，最大沉降值范围为0.2%～1.67% H。（2）地下连续墙水平位移表现为“臌胀”型模式，第二道钢支撑完成后加速变形。通过测点统计，最大水平位移点位置分布区间为（H -5～H +2）m；最大位移值范围是0.05%-0.8% H，平均值为0.3%H。（3）坑外深层土体水平位移表现为“臌胀”型。通过测点统计，最大位移点位置分布区间为（H -3～H +2）m，最大水平位移值范围为0.13%～1% H，平均值为0.25% H。（4）坑外深层土体与地连墙表现为的相同水平位移模式和速度趋势。但在相同高度点位置，土体水平位移均大于地连墙，且深层土体变形持续时间明显长于地下连续墙。本文研究成果，可为类似地区明挖深基坑施工提供借鉴。

【关键词】深厚软土地层；明挖深基坑；施工环境效应；现场实测 

随着城市基础设施建设的推进，轨道交通成为城市交通建设的重要选项。城市轨道线路多分布于市内，车站及部分区间常采用明挖工艺施工。但由于明挖基坑周边常有建/构筑物存在及开挖深度大等因素，城市轨道明挖深基坑工程施工环境效应控制成为施工控制的重点和难点，尤其在软土分布地区。近年来，已有多起软土轨道交通基坑事故发生，给工程建设带来严重影响。基于此，国内外研究者就轨道交通深基坑施工环境效应控制开展了多方面的研究。其中，基于现场实测数据分析研究因其对工程建设的直观指导作用，受到研究者重视。

在国外，Goldbergt^[1]等人于1976年以63例工程实测资料为基础，分析了围护墙体最大侧向位移、墙后土体沉降最大值及其分布形态，并建立了墙体变形、地表沉降分布与基坑开挖深度及地质条件之间的联系。Ou^[2]通过分析软土地区的若干基坑工程实测数据，总结出软土地区基坑围护结构最大侧向位移与基坑开挖深度之间的数学关系，即围护结构最大侧向位移约为0.2%H-0.5% H ( H为基坑最终开挖深度)。在国内，TAN^[3]等研究了上海地区某顺作法地铁车站深基坑的变形性状，发现长条形基坑由于其长边尺寸效应，故影响范围比一般的建筑基坑要大，但地表沉降的深度要比建筑基坑小。张德富^[4]等通过实测数据系统分析了苏州地铁一号线深基坑的变形特性；给出了三种典型围护结构-地连墙、咬合桩和SMW围护桩的侧移、墙后地表沉降变化范围及平均值。 廖少明^[5]等通过苏州地区的地铁基坑和方形基坑大量的监测数据，全面对比分析了苏州地区不同形状，不同支护方式的大尺度深基坑的变形性状。徐中华^[6]等则着重通过上海地区93个采用地下连续墙作为围护结构的实测数据，统计并分析得出了上海地区地下连续墙作为支护结构的变形性状。丁智^[7] 等人依托杭州新塘路、景芳路交叉口的深基坑开挖过程中的实测数据，分析得出了该地区地下连续墙墙体水平位移、钢支撑轴力、地表沉降变化规律。李淑^[8]等对北京地铁30多个明挖基坑实测数据进行统计分析，得出了北京地区的地表变形呈现出“凹槽型”，最大沉降的时刻出现在基坑底部拆1-2道支撑时。李镜培^[9]等依托上海市五坊园基坑工程，采用现场设点实测的方法追踪基坑开挖施工过程中周围环境动态响应，得出基坑开挖对周围环境有明显的深度效应和尺寸效应，浅层开挖时，基坑侧移主要受土层性质和开挖顺序的影响，深层开挖时，基坑侧移出现明显的空间效应。郑刚^[10]等研究表明当基坑开挖深度相同时，而围护结构及支撑系统的差异将使得围护结构将发生不同形式的变形，坑外土体的位移及邻近建筑物的变形也将存在相应差异。刘登攀^[11]等以上海地铁基坑为研究对象，结合水文地质资料分析得出邻近建筑物对基坑变形有显著影响。刘兴旺^[12]等依托杭州和上海地区十几个基坑邻近建筑物的沉降提出了一套考虑邻近建筑物存在的地表沉陷估算方法。

从研究成果看，深基坑施工环境效应与地层条件及基坑设计施工工况高度相关，具有明显的地域性。本文针对温州深厚淤泥质软土地层条件，以及温州市域铁路S1线明挖深基坑的具体设计施工工况，开展基于实测数据的施工环境效应研究，统计分析变形规律，结论可为同类地区城市深基坑建设提供借鉴。

1 实测工程概况

温州市城市轨道中长期建设规划如图1。目标建设市域铁路线4条及市内地铁线路2条。目前市域铁路S1线已经完成工程建设，处于设备调试阶段。本文现场实测依托S1线机场标段明挖深基坑进行，此标段位于东经120°43′，北纬27°57′。根据线路规划，6条线路隧道段及地下车站设计埋深、断面形式及穿越地层基本相同，因此本文研究成果，对温州城市轨道交通其它标段及同类地区轨道交通建设具有借鉴作用。

图1 温州市市域轨道交通线网规划示意图 

S1线机场标段位于温州龙湾国际机场范围内，工程周边分布机场综合楼办公楼、后勤保障楼、机场宾馆及T1航站楼，施工环境控制要求高。标段总长816 m，基坑开挖深度范围介于15 m-16.5 m。基坑支护采用地下连续墙+内支撑的方式。地下连续墙墙厚800 mm，连续墙总深度为35 m。内支撑采用一道钢筋混凝土支撑（截面尺寸800*800 mm）加三道钢支撑（直径800 mm）。围护结构剖面如图2。

图2 围护结构剖面及地层分布图

该标段土层分布如图2所示，地下连续墙深度范围内主要分布淤泥质黏土（（2）1-1层）及淤泥（（3）1层），土层参数如表1。可以看出，主要土层具有较大的天然含水率及天然密度。

表1 土层性质一览表  

 

2 实测概况

根据施工技术及实测方案，该标段共划分为23个单元，共设置53个监测断面。各断面监测内容布置如图3。其中，坑外地表沉降最远观测点距离基坑边缘为38 m。本文研究时，选取实测断面16作为代表性断面，主要进行地下连续墙水平位移、墙后深层土体沉降及墙后地表沉降及相互关系的规律性分析。该实测断面坑外3倍深度范围内没有应考虑荷载影响的建/构筑物存在，施工过程严格按照施工计划正常进行。在此基础上，根据53个断面的统计结果，研究给出变形指标限值，可为工程施工直观借鉴。 

      

图3 监测点布置剖面图

 实测基坑采用明挖顺作法施工。根据施工工艺及基坑变形特点，实测分析主要考虑7个典型工况，如表1。其中，工况5（底板混凝土具有支撑强度）按照底板混凝土浇筑完成后7天考虑。

表2 分析工况表

3 实测结果分析

3.1 坑外地表沉降实测规律分析

  不同工况下坑外地表沉降曲线如图4，H_J为距离基坑边缘距离，H_Z为基坑沉降值。可以看出，坑外实测范围内各地表沉降点沉降量随着基坑开挖深度的增加，沉降量均呈增加趋势。随着开挖深度的增加，坑外地表“锅底”型沉降形状逐步显现，最大沉降点距离基坑边缘为30 m左右，为基坑深度的2倍左右。同时，地表沉降最远测点（38 m，约为基坑深度的2.4倍）的变形量仍较大。按照坑外地表沉降“锅底”左右对称预测，地表沉降影响范围最远点距坑边距离约为55 m（基坑开挖深度的3.5倍），大于软土地区平面建筑基坑坑外地表沉降影响范围（2.5倍基坑开挖深度）。TAN^[3]在对上海地区的方形基坑和长条形基坑对比分析也验证了这点。 

图4 不同工况下坑外地表沉降曲线

 图5为坑外地表最大沉降点沉降量随时间累积曲线。可以看出，第二道钢支撑完成以前，因基坑开挖深度较小，地表沉降变形很小，变形相对缓慢。第二道支撑完成，继续向下挖土过程中，地表沉降呈高加速状态，直至第三道钢支撑拆除完成。之后，由于底板混凝土较大刚度支撑作用，以及满堂换撑支撑作用，地表变形速度开始减缓。根据施工实施进度，第三道支撑拆除时间为底板混凝土浇筑完成后7天左右，也就是底板混凝土达到75%左右强度，对连续墙具有一定支撑刚度的时间。据此，在软土地区深基坑施工过程中，应加强支撑随挖随撑的施工控制。开挖至底板后，应快速完成底板混凝土浇筑，并尽可能增加底板混凝土厚度、采用早强或高标号混凝土等设计或技术措施，尽早发挥底板混凝土对连续墙围护结构的支撑作用，并尽可能缩短加速沉降阶段各工况施工速度，有效控制总沉降量。

图5 最大地表沉降值随时间累积曲线

 图6为实测标段各测点坑外地表最大沉降点位置的统计散点图。可以看出，坑外地表最大沉降点位置主要集中在（H -3~ H +15） m区间。如按照代表断面开挖深度16 m计算，最大沉降点位置分布在坑外13~31 m距离区间。

图6 坑外地表沉降最大位置与开挖深度关系散点图

图7、8为实测标段各测点最大沉降量散点图及柱状图。由图7可以看出，地表最大沉降量分布范围为0.2% H -1.67% H，平均值为0.65% H。该平均值大于文献[4]中苏州地铁一号线得出的平均最大地表沉降值（0.14% H）。由柱状图8可以看出，实测标段所有测点中，坑外地表沉降最大值为265 mm，平均值为110 mm。可以表明，因温州地区深厚软土的存在，轨道交通深基坑的坑外地表变形更加严重，对周边建/构筑物影响更为严重，在施工过程中应足够重视。

图7 地表最大沉降值与开挖深度关系散点图

       

图8 坑外地表最大沉降值柱状图

3.2 地下连续墙水平位移实测规律分析

 图9是不同工况下地下连续墙水平位移曲线，H_QW为地下连续墙水平位移。从图中可以看出：地下连续墙的变形为“臌胀”型，随着开挖深度的增加，“臌胀”程度明显增加。随着开挖深度的增加，地下连续墙的最大“臌胀”点逐渐下移，自第三道钢支撑施工完成后，最大“臌胀”近似稳定在坑底以上1 m左右位置。这是由于上部混凝土及钢支撑的支撑刚度远大于下部土体支撑刚度，引起的支撑强度差异。由图也可以看出，土方开发至板底后，由于坑底土体，以及之后底板混凝土的支撑作用，地下连续墙在坑底下部产生“臌胀”拐点，拐点位置位于坑底下1 m左右位置。

图9 地下连续墙的水平位移曲线

 图10为地下连续墙最大变形点位移量随时间累积曲线。可以看出：在完成第二道钢支撑之前，地下连续墙的水平位移变形速度相对缓慢。第二道钢支撑施工完成后，随着开挖深度增加，墙体最大水平位移加速增加，直至底板混凝土浇筑完成，随着混凝土强度的增加，受其刚性约束作用，连续墙变形明显趋缓，但在第二道钢支撑拆除，结构施工过程中，变形并未趋于稳定。因此，在施工过程中，应加快坑底底板施工速度，约束连续墙变形。同时，连续墙变形监测应延续至变形稳定，确保施工安全。

图10 地下连续墙最大位移量随时间累积曲线

 图11是地下连续墙最大水平位移与基坑挖深度关系散点图。可以看出，实测工程墙体最大水平位移值主要集中在0.05% H -0.8% H，平均值为0.30% H。从图12地下连续墙最大水平位移柱状图可以看出，本工程地下连续墙的最大水平位移为113 mm，平均值在40.43 mm。廖少明^[5]等在分析苏州地区采用地连墙做围护结构的地铁基坑时，在插入比和开挖深度均与温州地区相同的情况下，得出苏州地区地连墙的平均水平位移为0.2% H。徐中华^[6]统计分析了上海地区围护结构为地下连续墙的地铁深基坑，得出地下连续墙最大水平位移介于0.1% H ~1% H之间。可以看出，本工程最大位移平均值与上海地区变形范围一致，但略大于苏州地区类似工况。这与温州地区淤泥质软土的厚度分布及土体特性有关。

图11 地下连续墙最大水平位移与基坑深度关系散点图

 

图12 地下连续墙最大水平位移柱状图

 图13为地连墙最大位移点位置与开挖深度关系散点图。可以看出，地下连续墙最大变形点发生在（H -5~ H +2）m范围内。与文献^[6]分析得出的上海地区地铁深基坑地连墙最大变形位置范围（H -5~ H +5）m相吻合。

图13 地下连续墙最大位移点位置与开挖深度关系散点图 

3.3 坑外土体深层水平位移实测规律分析

图14为不同工况下坑外土体深层水平位移曲线图，H_TW为深层土体水平位移，H_T为深层土体深度。可以看出，坑外土体深层位移类似于地下连续墙变形形状，呈明显的“臌胀”型。最大变形点也随着开挖深度的增加呈不断下移趋势，并最终稳定在坑底以上1 m左右位置。同时，坑外土体变形在坑底以下也存在类似地下连续墙的“臌胀”拐点，拐点位置出现在坑底以下6 m左右，相比连续墙拐点有下移趋势。这是由于地下连续墙变形对坑外土体变形的约束作用所致。

 图14  坑外深层土体水平位移曲线

图15为坑外土体最大水平位移值随时间累积曲线。可以看出，与地下连续墙变形规律类似，第二道支撑完成后，随着开挖深度的增加，土体变形加速发展。底板浇筑完成后，受其约束作用，变形成趋于减缓。

图15 深层土体最大水平位移随时间累积曲线

图16为实测工程坑外土体深层最大水平位移与基坑深度关系散点图，H为基坑深度。可以看出，深层土体最大水平位移值分布于0.13% H ~1% H之间，平均值为0.4% H。图17为最大水平位移柱状图，最大水平位移为164 mm，平均值为51.42 mm。

图16 坑外土体深层最大水平位移与基坑深度关系散点图

图17 深层土体最大水平位移柱状图

图18为实测工程深层土体最大位移点位置与基坑深度关系散点图。可以看出，最大位移点位置位于坑底上下，介于（H -3~ H +2）m区间内。

图18 深层土体最大位移点与基坑深度关系散点图

3.4 地下连续墙水平位移与深层土体水平位移实测规律对比分析

图19为地下连续墙和坑外深层土体最终位移曲线图，H_W表示水平位移，H为基坑深度。可以看出：两者最终变形呈现基本相同的“臌胀”型，最大变形点均位于坑底附近，但由于没有底板混凝土的约束效应，坑外土体最大变形点略低于地连墙最大变形点。同时，深层土体每个高度点的最终变形量值均大于地连墙。分析其原因，墙后土体发生了一定程度的挤压流动变形。因此，在工程监测过程中，地下连续墙水平位移的监测更能够直观反应基坑变形情况，坑外土体水平位移受影响因素较多，变形规律可以辅助参考。

图19 深层土体位移与地连墙水平位移曲线

图20为深层土体最大水平位移和地下连续墙最大水平位移随时间累积曲线。可以看出：两者呈现基本相同的变形趋势。在第二道钢支撑完成之前，地下连续墙和深层土体的变形规律及量值基本一致。但在第二道钢支撑完成后，两者均开始加速变形，深层土体的变形加速度明显大于地下连续墙，且深层土体变形的持续时间明显长于地下连续墙。这是由于底板混凝土对地连墙的刚性约束作用明显大于坑外土体，以及软土的流变性能所致。

图20 深层土体最大水平位移和地下连续墙最大水平位移随时间累积曲线

4 结论

基于温州市域铁路S1线机场标段地层条件及明挖深基坑设计施工情况，通过现场实测及数据分析，结论如下：

1、坑外地表沉降随开挖深度的增加，呈明显的“锅底”型沉降，坑地表沉降影响范围约为基坑深度的3.5倍，最大沉降点位于基坑深度2倍左右位置。随着开挖深度的增加，第二道钢支撑施工完成后，地表沉降开始加速，直至地下室底板混凝土具有一定的支撑强度后，地表变形逐步减小。通过工程测点统计，坑外地表最大沉降点位置主要集中在（H -3~H+15）m区间，地表最大沉降量分布范围为0.2%H-1.67%H，平均值为0.65%H。

2、地下连续墙现行为“臌胀”型，随着开挖深度增加，“臌胀”程度不断增加，最大“臌胀”点位置不断下移，最终稳定在坑底上部1 m左右。同时，土方开挖至坑底后，地下连续墙变形在坑底出现“臌胀”拐点，位于坑底以下1 m左右。连续墙变形速度自第二道钢支撑施工完成后开始增大，至底板混凝土约束刚度慢慢增加而逐步减速。通过工程测点统计，墙体最大水平位移值主要集中在0.05%H-0.8%H，平均值为0.30%H。地下连续墙最大变形点发生在（H-5~H+2）m范围。

3、坑外土体深层水平位移也表现为类似于地下连续墙变形的“臌胀”型。随着开挖深度的增加，“臌胀”点下移并稳定至基坑底部以上1 m左右位置。受地下连续墙的变形约束作用，坑外土体“臌胀”拐点出现在坑底以下5 m左右。土体“臌胀”变形自第二道支撑施工完成开始加速，至底板混凝土支撑强度增加而逐渐减缓。通过工程测点统计，深层土体最大水平位移值分布于0.13%H~1%H之间，平均值为0.4%H。最大位移点位置位于坑底上下，介于（H-3~H+2）m区间内。

4、地下连续墙水平位移和坑外深层土体位移呈现类似的“臌胀”型变形规律及速度变化趋势。在同一高度处，深层土体水平位移量均大于地下连续墙水平位移，且深层土体变形的持续时间明显长于地下连续墙。

 

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责任编辑：施有根